Stal narzędziowa S7 | 1.2355

3. Obróbka cieplna stali narzędziowej S7

Tylko właściwy proces obróbki cieplnej może zapewnić wytrzymałość na uderzenia stali narzędziowej S7. 

3.1 Wyżarzanie

Stal narzędziowa S7 jest zazwyczaj dostarczana w stanie wyżarzonym, co zapewnia maksymalną miękkość i łatwość obróbki. Jeśli ponowne wyżarzanie okaże się konieczne w celu przywrócenia optymalnego stanu do produkcji, proces obejmuje:

1. Ogrzewanie: Równomiernie podgrzej stal S7 do temperatury 1550°F (843°C).
2. Moczenie: Utrzymuj tę temperaturę przez około 1,5 godziny na każdy cal (lub 3,5 minuty na każdy mm) najgrubszej części, aby zapewnić dokładne i równomierne podgrzanie.
3. Chłodzenie: Zastosuj powolne chłodzenie, zmniejszając temperaturę pieca w kontrolowanym tempie 25°F (14°C) na godzinę, aż osiągnie ona 900°F (482°C).
4. Ostateczne chłodzenie: Po osiągnięciu temperatury 900°F (482°C) stal można schłodzić powietrzem do temperatury pokojowej.

Oczekiwana twardość po odpowiednim procesie wyżarzania S7 wynosi maksymalnie 230 HB, co jest stanem idealnym do dalszych operacji obróbki skrawaniem.

3.2 Hartowanie

Faza hartowania obróbki cieplnej stali narzędziowej S7 przekształca wyżarzaną mikrostrukturę w znacznie twardszą strukturę martenzytyczną, przeplataną drobnymi węglikami, co jest fundamentalne dla jej wydajności i wytrzymałości końcowego zastosowania. Obejmuje to kilka kluczowych etapów:

3.2.1 Krytyczne kroki podgrzewania wstępnego

Podgrzewanie wstępne jest kluczowym początkowym krokiem w sekwencji hartowania stali S7. Jego głównym celem jest minimalizacja szoku termicznego, który może prowadzić do odkształceń lub pęknięć, oraz złagodzenie wszelkich naprężeń wewnętrznych wywołanych podczas wcześniejszych operacji obróbki.

• Pierwsze podgrzanie: Podgrzej równomiernie komponent S7 do temperatury 1200°F (650°C).
• Czas utrzymania: Utrzymuj tę temperaturę przez 10 do 15 minut, upewniając się, że ciepło jest równomiernie rozprowadzane po całym przekroju poprzecznym części, zanim przejdziesz do temperatury austenityzacji.

3.2.2 Austenityzowanie

Po podgrzaniu wstępnym stal narzędziowa S7 jest szybko podgrzewana do temperatury austenityzowania (hartowania). Ten etap ma na celu skuteczne rozpuszczenie węglików stopowych i przekształcenie struktury krystalicznej stali w austenit.

• Temperatura austenityzacji: Zalecana temperatura austenityzacji S7 wynosi 1725°F (940°C).

3.2.3 Moczenie

Po osiągnięciu temperatury austenityzacji komponent S7 musi zostać namoczony. Ten czas namoczenia jest krytyczny dla umożliwienia całej strukturze równomiernej konwersji do austenitu i zapewnienia odpowiedniego rozpuszczenia węglików niezbędnych do optymalnego utwardzenia.

• Obliczanie czasu namaczania:

1. W przypadku części o przekroju większym niż 1 cal (25 mm): Moczyć przez 1 godzinę na każdy cal (25 mm) najmniejszego przekroju.
2. W przypadku mniejszych sekcji: należy stosować się do konkretnych wytycznych, np. 30 minut dla sekcji o grubości 1/8″ (3,175 mm) i 1 godzina dla sekcji o grubości 1″ (25 mm).

• Ostrożność: Należy unikać zbyt długiego czasu moczenia, gdyż może to niekorzystnie wpłynąć na ostateczną strukturę ziarna stali i w rezultacie na jej właściwości mechaniczne.

3.2.4 Gaszenie

Hartowanie to szybka faza chłodzenia, która przekształca austenityczną stal S7 w twardą strukturę martenzytyczną. S7 to hartowana na powietrzu stal narzędziowa, co sprawia, że chłodzenie na powietrzu jest standardową i najbezpieczniejszą metodą hartowania, minimalizującą ryzyko odkształceń.

• Standardowe hartowanie: Chłodzenie powietrzem od temperatury austenityzacji.
• Duże sekcje: W przypadku komponentów o przekrojach przekraczających około 2,5 cala (63 mm) chłodzenie powietrzem może nie osiągnąć pełnej twardości na całej długości. W takich przypadkach może być konieczne hartowanie olejowe S7 w celu zapewnienia hartowania na wskroś.
• Chłodzenie po hartowaniu: Po hartowaniu pozwól części ostygnąć, aż będzie ciepła w dotyku (około 150°F lub 65°C), zanim przejdziesz od razu do hartowania. Ten krok jest niezbędny, aby zminimalizować ryzyko pęknięć hartowniczych.

3.3 Odpuszczanie

Odpuszczanie jest niezbędnym ostatnim etapem obróbki cieplnej stali narzędziowej S7. Służy do redukcji naprężeń wewnętrznych powstających podczas hartowania, znacznego zwiększenia wytrzymałości stali (odporności na wstrząsy) i uzyskania pożądanej końcowej twardości roboczej.

• Chronometraż: Odpuszczanie należy rozpocząć natychmiast po zahartowaniu i schłodzeniu komponentu S7 do około 150°F (65°C). Struktura po hartowaniu jest silnie naprężona i z natury krucha, co czyni ją podatną na pękanie, jeśli odpuszczanie zostanie opóźnione.
• Typowy zakres hartowania: W przypadku większości zastosowań S7 jest hartowany w temperaturze od 204°C (400°F) do 232°C (450°F).
• Zalecane dla uzyskania najlepszej wydajności: Odpuszczanie stali S7 w temperaturze 230°C (450°F) zapewnia optymalną twardość roboczą wynoszącą około 58 HRC, co skutecznie równoważy wytrzymałość z charakterystyczną wysoką odpornością na uderzenia.
• Zastosowania prac gorących: Jeśli stal narzędziowa S7 ma być stosowana w temperaturach do 1000°F (540°C), należy ją odpuszczać w temperaturze nieznacznie wyższej od przewidywanej maksymalnej temperatury roboczej, aby zapewnić jej stabilność.
• Czas utrzymywania temperatu: Utrzymuj wybraną temperaturę hartowania przez co najmniej 2 godziny dla każdego cyklu hartowania. Alternatywnie, powszechną wytyczną jest 2 godziny na cal (25 mm) grubości przekroju poprzecznego.
• Wiele temperowań dla uzyskania optymalnych rezultatów: Podwójne lub nawet potrójne hartowanie jest wysoce zalecane dla stali narzędziowej S7. Ta praktyka zapewnia maksymalną wytrzymałość, udoskonala mikrostrukturę i promuje większą stabilność wymiarową i mikrostrukturalną. Pozostaw część do całkowitego ostygnięcia do temperatury pokojowej pomiędzy każdym cyklem hartowania.
• Ostateczne chłodzenie: Aby zminimalizować powstawanie naprężeń szczątkowych, po ostatecznym odpuszczeniu zaleca się powolne chłodzenie powietrzem.

3.4 Rozważania dotyczące obróbki końcowej stali S7

Jeśli hartowane komponenty S7 przechodzą kolejne operacje wykończeniowe, takie jak szlifowanie, spawanie lub obróbka elektroerozyjna (EDM), zdecydowanie zaleca się odpuszczanie naprężeń. Należy to wykonać w temperaturze o 25–50°F (14–28°C) niższej od temperatury ostatniego skutecznego cyklu odpuszczania, aby zmniejszyć ryzyko pęknięć lub niestabilności wymiarowej wywołanej przez te procesy.

3.5 Właściwości możliwe do uzyskania przy prawidłowej obróbce cieplnej stali narzędziowej S7

Jeśli obróbka cieplna stali narzędziowej S7 zostanie przeprowadzona prawidłowo, użytkownicy mogą spodziewać się następujących typowych właściwości, dzięki którym stal S7 jest niezawodnym wyborem do wymagających zastosowań:

• Twardość robocza: Zwykle 56-58 HRC.
• Odporność na wstrząsy: Bardzo wysoki, podstawowa i definiująca cecha S7.
• Odporność na zużycie: Dobra, choć generalnie niższa niż w przypadku stali o wysokiej zawartości węgla i chromu obrabianych na zimno, takich jak O6 lub Stal narzędziowa D2.
• Stabilność wymiarowa: Dobra stabilność w trakcie całego procesu prawidłowej obróbki cieplnej.
• Korzyści z utwardzania powietrznego: Możliwość hartowania na powietrzu stali S7 zapewnia wysoki margines bezpieczeństwa podczas procesu hartowania, redukując ryzyko odkształceń i pęknięć w porównaniu ze stalami hartowanymi w cieczy.
• Wydajność w podwyższonej temperaturze: S7 wykazuje dobrą odporność na mięknięcie w umiarkowanie podwyższonych temperaturach, co sprawia, że nadaje się do zastosowań wymagających średniej temperatury i wysokiej temperatury.
• Utwardzanie powierzchniowe: Poprzez procesy obróbki powierzchni, takie jak węgloazotowanie lub azotowanie, twardość powierzchni stali narzędziowej S7 można dodatkowo poprawić do około 64 HRC. Jednak takie obróbki powierzchni mogą wpływać na wrodzoną odporność stali S7 na wstrząsy i należy je dokładnie rozważyć w oparciu o wymagania aplikacji.
• Zmiana wymiarowa: Można spodziewać się przybliżonego wzrostu wymiarów o +0,001 cala na cal (0,001 mm na mm) w przypadku hartowania S7 w powietrzu od prawidłowej temperatury hartowania.

Dla ułatwienia przedstawiamy podsumowanie najważniejszych parametrów obróbki cieplnej stali narzędziowej S7: